(57)【要約】【課題】発光効率の高い半導体光素子を提供する。【解決手段】半導体光素子１０は、Ｇａ、Ａｓ及びＮを含みIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層１６と、活性層１６上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる回折格子層ＧＬと、回折格子層ＧＬ上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなるクラッド層１８とを備える。クラッド層１８の屈折率ｎ１は、回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ、Ａｓ及びＮを含みIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる回折格子層と、
前記回折格子層上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなるクラッド層と、
を備え、
前記クラッド層の屈折率は、前記回折格子層の屈折率よりも小さい、半導体光素子。
【請求項２】
前記回折格子層と前記クラッド層との間に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる第１の中間層を更に備える、請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記第１の中間層は、交互に積層された第１の半導体層及び第２の半導体層を含み、
前記第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーとは異なっている、請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記活性層と前記回折格子層との間に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２の中間層を更に備え、
前記第２の中間層の屈折率は、前記回折格子層の屈折率よりも小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記活性層と前記回折格子層との間に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２の中間層を更に備え、
前記第２の中間層のエッチングレートは、前記回折格子層のエッチングレートよりも小さい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓからなる活性層が設けられ、その活性層上にＡｌＧａＩｎＰからなる回折格子層が設けられ、その回折格子層上にＧａＡｓからなるクラッド層が設けられた分布帰還型の半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−７４６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のＤＦＢレーザでは、クラッド層のバンドギャップエネルギーが回折格子層のバンドギャップエネルギーよりも小さく設定されている。したがって、クラッド層の屈折率は回折格子層の屈折率よりも大きくなる。そのため、光が回折格子層からクラッド層に漏れ出してしまうので、回折格子層内に光を強く閉じ込めることが出来ず、小さな閉じ込め係数しか得られない。その結果、結合係数を大きく出来ないので、ＤＦＢレーザの良好な発振特性が得られない。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、発光効率の高い半導体光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するため、本発明の半導体光素子は、Ｇａ、Ａｓ及びＮを含みIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、前記活性層上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる回折格子層と、前記回折格子層上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなるクラッド層とを備え、前記クラッド層の屈折率は、前記回折格子層の屈折率よりも小さい。
【０００６】
本発明の半導体光素子では、クラッド層の屈折率が回折格子層の屈折率よりも小さいので、活性層から出射される光が回折格子層からクラッド層に漏れ出すことを抑制できる。したがって、回折格子層内に光を強く閉じ込めることが可能となり、大きな結合係数が得られるので、半導体レーザの良好な発振特性が得られる。
【０００７】
また、上記半導体光素子は、前記回折格子層と前記クラッド層との間に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる第１の中間層を更に備えることが好ましい。
【０００８】
この場合、第１の中間層によって回折格子層の凹凸表面が平坦化される。よって、クラッド層の結晶性を向上させることができる。
【０００９】
また、前記第１の中間層は、交互に積層された第１の半導体層及び第２の半導体層を含み、前記第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーとは異なっていることが好ましい。
【００１０】
これにより、第１の半導体層と第２の半導体層との界面において、回折格子層の凹凸表面に存在する結晶欠陥の進行が遮断され易くなる。よって、クラッド層の結晶性を向上させることができる。
【００１１】
また、上記半導体光素子は、前記活性層と前記回折格子層との間に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２の中間層を更に備え、前記第２の中間層の屈折率は、前記回折格子層の屈折率よりも小さいことが好ましい。
【００１２】
この場合、第２の中間層によって光を回折格子層内に強く閉じ込めることができるので、大きな結合係数が得られ、その結果、半導体レーザの良好な発振特性が得られる。
【００１３】
また、上記半導体光素子は、前記活性層と前記回折格子層との間に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２の中間層を更に備え、前記第２の中間層のエッチングレートは、前記回折格子層のエッチングレートよりも小さいことが好ましい。
【００１４】
この場合、エッチングにより回折格子層の凹凸表面を形成する際に、第２の中間層をエッチングストップ層として用いることができる。これにより、回折格子層の凹凸の深さ（高さ）の再現性や面内均一性を向上させることができる。従って、結合係数の再現性や面内均一性が改善されるので、半導体レーザ特性の再現性や歩留まりが向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発振特性が良好で且つ、高い再現性や歩留まりを有する半導体レーザが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図１中には３次元空間を表すＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。また、図１中には、第１実施形態に係る半導体光素子の屈折率プロファイルについても併せて示されている。軸ｎは、屈折率の大きさを示す。
【００１８】
図１に示される半導体光素子１０は、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板１２と、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａ上に設けられた第１導電型のクラッド層１４と、クラッド層１４上に設けられた活性層１６と、活性層１６上に設けられた第２導電型（例えばｐ型）の回折格子層ＧＬと、回折格子層ＧＬ上に設けられた第２導電型のクラッド層１８とを備える。クラッド層１４、活性層１６、回折格子層ＧＬ及びクラッド層１８は、いずれもIII−Ｖ族化合物半導体からなる。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａは、ＸＹ平面と略平行に延在している。したがって、ＧａＡｓ基板１２の厚み方向はＺ軸方向となる。
【００１９】
クラッド層１８上には、第２導電型のコンタクト層２０及び電極２２がこの順に設けられていることが好ましい。コンタクト層２０によって、電極２２のオーミック接触が実現される。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａとは反対側の面（裏面）１２ｂ上には、電極２４が設けられていることが好ましい。半導体光素子１０は、例えば、光通信に用いられる発振波長１μｍ以上の分布帰還型の半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）である。この場合、単一モード発振が可能である。
【００２０】
ＧａＡｓ基板１２は、例えばＧａＡｓインゴットをスライスすることによって得られるバルク基板と、バルク基板上に成長されたＧａＡｓバッファ層とを備えることが好ましい。この場合、ＧａＡｓバッファ層の表面が、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａとなる。
【００２１】
クラッド層１４の材料としては、例えばＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰやＧａＩｎＰが使用できる。一実施例において、クラッド層１４はＧａＡｓに格子整合するｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる。ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰのバンドギャップエネルギーは、組成に応じて約１．９〜２．３ｅＶ（１ｅＶ＝１．６×１０−１９Ｊ）の範囲内で選択できる。ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰのバンドギャップエネルギーは、約１．９ｅＶである。
【００２２】
クラッド層１４は、例えば、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等からなってもよい。ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは、組成に応じて約１．４２〜２．１６ｅＶの範囲内で選択できる。ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーは、組成に応じて約１．４２〜１．９ｅＶの範囲内で選択できる。クラッド層１４の材料の組成比を調整することによって、クラッド層１４のバンドギャップエネルギー及び屈折率ｎ５を調整することができる。
【００２３】
クラッド層１４がＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等の高バンドギャップ材料からなる場合、クラッド層１４と活性層１６とのバンドギャップ差を大きくできるので、活性層１６内へのキャリアの閉じ込め性を向上させることができる。その結果、半導体光素子１０の発光効率を向上させることができる。
【００２４】
活性層１６は、バルク構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のいずれを有してもよい。例えば活性層１６が多重量子井戸構造を有する場合、活性層１６は、交互に積層されたバリア層と井戸層とからなる。
【００２５】
活性層１６は、Ｇａ、Ａｓ及びＮを含む。活性層１６の材料としては、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等が挙げられる。活性層１６の材料の組成比を調整することによって、活性層１６のバンドギャップエネルギー及び屈折率ｎ４を調整することができる。一実施例において、活性層１６は、厚さ８ｎｍのＧａＡｓバリア層と、厚さ７ｎｍのＧａ０．65Ｉｎ0.35Ｎ0.006Ａｓ０．994井戸層とが交互に積層されてなる。
【００２６】
なお、組成比を調整することによって、Ｇａ、Ａｓ及びＮを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料の格子定数を、ＧａＡｓ基板１２の格子定数と同じか又はこれに近い格子定数に設定することができる。従って格子不整に起因する欠陥を生じないので、良好な結晶性の活性層１６を基板１２上に成長できる。Ｇａ、Ａｓ及びＮを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料のバンドギャップエネルギーは、通常１μｍ以上のフォトルミネッセンス波長に相当する。このようなIII−Ｖ族の窒化物半導体材料を活性層１６の材料に用いる場合、１μｍ以上の長波長域の発振波長を容易に実現することができる。よって、例えば１〜１．６μｍ帯の光通信用光源を作製することができる。なお、１〜１．６μｍ帯の光に対してＧａＡｓは透明であるので、ＧａＡｓ基板１２によって光は吸収されない。
【００２７】
また、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓに、Ｓｂ及びＰのうち少なくとも一方を添加してもよい。Ｓｂはいわゆるサーファクタントとして機能し、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの３次元成長を抑制する。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの結晶品質が改善される。ＰはＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの局所的な結晶歪を低減させる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの結晶品質が改善される。また、Ｐは、結晶成長を行う際に結晶中に取り込まれるＮの量を増大する。
【００２８】
ＮとＧａとＡｓとを含み、Ｓｂ及びＰのうち少なくとも一方が添加されたIII−Ｖ族の窒化物半導体材料としては、例えば、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ等が挙げられる。組成比を調整することによって、これらのIII−Ｖ族の窒化物半導体材料の格子定数を、ＧａＡｓ基板１２の格子定数と同じか又はこれに近い格子定数に設定することができる。従って格子不整に起因する欠陥を生じないので、良好な結晶性の活性層１６を基板１２上に成長できる。
【００２９】
回折格子層ＧＬは、所定のピッチΛでＸ軸方向に配列された複数の凸部ＧＬＢを有する。凸部ＧＬＢによってブラッグ型の回折格子が構成される。回折格子は、クラッド層１８側に形成されている。凸部ＧＬＢの幅Ｗは例えばピッチΛの半分の値である。
【００３０】
回折格子層ＧＬの材料としては、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。回折格子層ＧＬの材料の組成比を調整することによって、回折格子層ＧＬのバンドギャップエネルギー及び屈折率ｎ２を調整することができる。一実施例において、回折格子層ＧＬは、ｐ−ＧａＡｓからなる。
【００３１】
特に、回折格子層ＧＬの材料としてＡｌＧａＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰを用いると、回折格子層ＧＬの材料にＧａＡｓを用いた場合に比べて、回折格子層ＧＬのバンドギャップエネルギーを大きくすることができると共に、回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２を小さくすることができる。よって、ＧａＡｓを用いた場合に比べて、活性層１６内に光及びキャリアをより強く閉じ込めることができる。
【００３２】
また、回折格子層ＧＬは、Ａｌフリーの材料からなることが好ましい。この場合、回折格子層ＧＬにおいて経時変化に伴うＡｌの酸化が起こらない。よって、Ａｌの酸化に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができる。よって、半導体光素子１０の長期信頼性を向上させることができる。
【００３３】
クラッド層１８は、回折格子層ＧＬの凸部ＧＬＢ間に埋め込まれた埋め込み部１８Ｂを有する。この場合、回折格子層ＧＬの凸部ＧＬＢとクラッド層１８の埋め込み部１８Ｂとによって、結合領域ＣＲが形成される。
【００３４】
クラッド層１８は、ＧａＡｓに格子整合する半導体材料からなることが好ましく、例えばＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰが使用できる。クラッド層１８の材料の組成比を調整することによって、クラッド層１８のバンドギャップエネルギー及び屈折率ｎ１を調整することができる。一実施例において、クラッド層１８はｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる。
【００３５】
回折格子層ＧＬがＧａＡｓからなり、クラッド層１８がＧａＡｓに格子整合したＡｌＧａＩｎＰからなる場合を考える。この場合、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰは、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０≦ｘ≦１）と表される。Ａｌ組成比ｘを増大させると、クラッド層１８の屈折率ｎ１を小さくすることができる。よって、Ａｌ組成比ｘを０とした場合、すなわちクラッド層１８がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる場合にクラッド層１８の屈折率ｎ１は最大となる。この場合であっても、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１８の屈折率ｎ１はＧａＡｓ回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２よりも小さい。
【００３６】
例えば１．３μｍ帯の光におけるＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１８の屈折率ｎ１は３．２程度であるのに対して、ＧａＡｓ回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２は３．４程度である。よって、クラッド層１８に屈折率が最大のＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐを用いた場合でも、クラッド層１８と回折格子層ＧＬとの間には０．２程度の充分大きな屈折率差を付けられる。さらに、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１８中のＡｌ組成比ｘを増大させれば、クラッド層１８の屈折率が低下するため、屈折率差をより大きくすることができる。
【００３７】
コンタクト層２０は、電極２２とのオーミック接触を形成するため、クラッド層１８よりも低バンドギャップのIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。一実施例において、コンタクト層２０はｐ＋−ＧａＡｓからなる。
【００３８】
クラッド層１４、活性層１６、回折格子層ＧＬ、クラッド層１８及びコンタクト層２０を形成する際には、例えばＯＭＶＰＥ法やＭＢＥ法等の気相成長法を用いることができる。さらに、回折格子層ＧＬを形成する際には、例えばフォトリソグラフィー法を用いることが好ましい。
【００３９】
また、図１に示されるように、クラッド層１８の屈折率ｎ１は、回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２よりも小さい。結合領域ＣＲではＸ軸方向に周期的に屈折率が変化するので、結合領域ＣＲの屈折率ｎ３は、平均屈折率で表される。結合領域ＣＲの屈折率ｎ３は、クラッド層１８の屈折率ｎ１と回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２との間の値となる。なお、「平均屈折率」は以下のように表される。ただし、式中、Ｗは回折格子層ＧＬの凸部の幅、Λは回折格子層ＧＬの１ピッチ（１周期）を示す。
n3={n22+(n12-n22)(1-W/Λ)}1/2
【００４０】
活性層１６の屈折率ｎ４は、回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２及びクラッド層１４の屈折率ｎ５のいずれよりも大きい。これにより、導波光は活性層１６中に強く閉じ込められる。
【００４１】
また、クラッド層１４及び回折格子層ＧＬのバンドギャップエネルギーは、いずれも活性層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい。よって、活性層１６に注入されるキャリアは活性層１６内に閉じ込められる。したがって、活性層１６内に光及びキャリアが閉じ込められるので、光とキャリアとの相互作用による誘導放出が効率よく生じる。クラッド層１８の屈折率ｎ１とクラッド層１４の屈折率ｎ５とは同じ値であってもよい。
【００４２】
ここで、ＤＦＢレーザの回折格子における前進波と後進波との結合の大きさを示す結合係数κは下記式（１）で表される。
【００４３】
κ＝（ｋ２／２β）（ｎ２２−ｎ１２）Γｇｓｉｎ（ｑａπ）／ｑπ    （１）
ただし、式（１）中、ｋは下記式（２）で表される波数、βはレーザ内部における発振モードの伝播係数、ｎ１はクラッド層１８の屈折率、ｎ２は回折格子層ＧＬの屈折率、Γｇは結合領域ＣＲの光閉じ込め係数、ｑは回折格子次数、ａは下記式（３）で表されるデューティー比（Ｄｕｔｙ比）を示す。
【００４４】
ｋ＝２π／λ０    （２）
ただし、式（２）中、λ０は真空中の発振波長を示す。
【００４５】
ａ＝Ｗ／Λ    （３）
ただし、式（３）中、Ｗは回折格子層ＧＬの凸部の幅、Λは回折格子層ＧＬの１ピッチ（１周期）を示す。
【００４６】
ＤＦＢレーザの発振特性を向上させるためには、上述の結合係数κを大きくする必要がある。上記式（１）より、結合係数κを大きくするためには、屈折率の二乗差（ｎ２２−ｎ１２）及び光閉じ込め係数Γｇを増加させることが望ましい。光閉じ込め係数Γｇの増加のためには、回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２よりもクラッド層１８の屈折率ｎ１を有意に小さくする必要がある。
【００４７】
本実施形態に係る半導体光素子１０では、クラッド層１８の屈折率ｎ１が回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２よりも小さいので、（ｎ２２−ｎ１２）及び光閉じ込め係数Γｇを増加させることができる。よって、上記式（１）より結合係数κを大きくすることができるので、半導体光素子１０においては、回折格子層ＧＬにおいて前進波と後進波が強く結合する。その結果、発振閾値が低減され、良好なＤＦＢレーザ発振が得られる。
【００４８】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図２に示される半導体光素子１０ａは、第１実施形態に係る半導体光素子１０の構成に加えて、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬ（第１の中間層）を更に備える。III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬは、回折格子層ＧＬとクラッド層１８との間に設けられている。
【００４９】
半導体光素子１０ａでは、第１実施形態に係る半導体光素子１０と同様の作用効果が得られる。また半導体光素子１０では、クラッド層１８を回折格子層ＧＬ上に直接成長したが、このような凹凸面上に成長する場合は、下地の局所的な形状の違いで原料の供給状態にバラツキが生じたり、下地の結晶面方位の違いによって、成長状態に差が生じたりするため、場所によっては結晶組成が格子整合条件からずれて格子不整が生じ、それに起因してクラッド層中に欠陥が生じる可能性がある。このような欠陥はレーザの特性や信頼性を損なうため好ましくない。一方、半導体光素子１０ａでは、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬによって回折格子層ＧＬの凹凸表面が平坦化される。このような平坦面上にクラッド層１８を成長する場合は、上記のような下地からの悪影響を受けないため、ウエハ全面にわたり、格子整合条件を良好に維持しながらの成長が可能となる。よって、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬ上にクラッド層１８を形成すると、凹凸表面上にクラッド層１８を形成する場合に比べて、クラッド層１８の結晶性を向上させることができる。
【００５０】
また、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬは、ＡｌＧａＡｓからなることが好ましい。ＡｌＧａＡｓは任意の組成でＧａＡｓと格子整合するので、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬ中に、格子不整合に起因する結晶欠陥が生じない。よって、回折格子層ＧＬの凹凸表面近傍において、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬ中のＡｌＧａＡｓの組成比が原料供給バラツキや下地面方位に違いにより局所的に変動した場合であっても、格子整合条件が維持され、結晶性のよいIII−Ｖ族化合物半導体層ＦＬが得られる。
【００５１】
また、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比を適宜調整することによって、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬの屈折率を回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２よりも有意に小さくすることができる。その結果、回折格子層内に光を強く閉じ込めることが可能となり結合係数κを増加させることができるので、発振閾値が低減され、良好なＤＦＢレーザ発振が得られる。
。
【００５２】
図３は、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬの構造の一例を示す断面図である。図３に示されるように、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬは、交互に積層された第１の半導体層２６及び第２の半導体層２８を含んでもよい。III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬは、多層膜構造を有している。
【００５３】
この場合も、多層膜構造のIII−Ｖ族化合物半導体層ＦＬにより、回折格子層ＧＬの凹凸表面を平坦化してから、クラッド層１８を成長するので、上記と同様の理由により、凹凸表面上にクラッド層１８を直接成長する場合に比べて、クラッド層１８の結晶性を向上させることができる。また、半導体層２６のバンドギャップエネルギーは、半導体層２８のバンドギャップエネルギーとは異なっている。この場合、半導体層２６と半導体層２８との界面において結晶欠陥の進行が遮断され易くなる。よって、回折格子層ＧＬの凹凸表面に存在する結晶欠陥の進行が遮断され易くなるので、クラッド層１８の結晶性をさらに向上させることができる。
【００５４】
III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬは、超格子構造を有することが好ましい。この場合、半導体層２６及び半導体層２８の厚さは例えばいずれも数ｎｍである。この場合、半導体層２６，２８の厚さは臨界膜厚より充分に薄いので、回折格子の凹凸表面における局所的な形状の違いによる原料供給バラツキや、下地面方位に違いにより、これらの層の組成が格子整合条件からずれ、格子不整が生じたとしても、格子不整に起因する結晶欠陥は生じない。よって、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬの結晶性は良好に維持される。
【００５５】
半導体層２６及び半導体層２８は、互いに同じ材料からなってもよい。この場合、半導体層２６の材料の組成比は、半導体層２８の材料の組成比とは異なっている。かかる材料としては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。また、半導体層２６及び半導体層２８は、互いに異なる材料からなってもよい。かかる材料の組み合わせとしては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓ等が挙げられる。
【００５６】
半導体層２６及び半導体層２８の材料の組成比を調整することによって、III−Ｖ族化合物半導体層ＦＬの屈折率を回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２よりも有意に小さくすることができる。その結果、回折格子層内に光を強く閉じ込めることが可能となり、結合係数κを増加させることができるので、発振閾値が低減され、良好なＤＦＢレーザ発振が得られる。また、半導体層２６及び半導体層２８の材料として、Ａｌフリーの材料を用いることができるので、Ａｌの酸化の影響を軽減できる。さらに、半導体層２６及び半導体層２８の材料を選択する際に、多種類の材料の組み合わせが存在するので、半導体光素子１０ａの構造設計の自由度が増す。
【００５７】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図４に示される半導体光素子１０ｂは、第１実施形態に係る半導体光素子１０の構成に加えて、活性層１６とクラッド層１４との間に設けられた光閉じ込め層３０と、活性層１６と回折格子層ＧＬとの間に設けられた光閉じ込め層３２とを備える。光閉じ込め層３０，３２はアンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。光閉じ込め層３０は、第１導電型であってもよい。光閉じ込め層３２は、第２導電型であってもよい。
【００５８】
半導体光素子１０ｂでは、第１実施形態に係る半導体光素子１０と同様の作用効果が得られる。さらに、光閉じ込め層３０，３２によってより多くの光を活性層１６に閉じ込めることができる。したがって、第１実施形態に係る半導体光素子１０よりも良好なＤＦＢレーザ特性が得られる。
【００５９】
光閉じ込め層３０のバンドギャップエネルギーは、クラッド層１４のバンドギャップエネルギーと活性層１６のバンドギャップエネルギーとの間であることが好ましい。この場合、クラッド層１４から活性層１６にキャリアを注入する時に、光閉じ込め層３０が障壁にならない。同様に、光閉じ込め層３２のバンドギャップエネルギーは、回折格子層ＧＬのバンドギャップエネルギーと活性層１６のバンドギャップエネルギーとの間であることが好ましい。この場合、クラッド層１８から活性層１６にキャリアを注入する時に、光閉じ込め層３２が障壁にならない。
【００６０】
また、光閉じ込め層３０の屈折率は、クラッド層１４の屈折率ｎ５と活性層１６の屈折率ｎ４との間であることが好ましく、光閉じ込め層３２の屈折率は、回折格子層ＧＬの屈折率ｎ２と活性層１６の屈折率ｎ４との間であることが好ましい。この場合、クラッド層１４や回折格子層ＧＬは、活性層１６において発生した光を活性層１６、光閉じ込め層３０及び光閉じ込め層３２に閉じ込めるように働き、その結果、活性層１６への光閉じ込めが強められる。特に、活性層１６が量子井戸構造を有する場合、光閉じ込め層３０，３２によって光閉じ込め係数を増大させることができる。
【００６１】
光閉じ込め層３０，３２に用いられる材料としては、第１実施形態において、活性層材料として示したＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料が挙げられる。光閉じ込め層３０，３２は、例えばＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等からなってもよい。これらは、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数を有する。よって、格子不整に起因する欠陥が生じないので、ＧａＡｓ基板１２上に良好な結晶性の光閉じ込め層３０，３２を成長できる。但し、これらの材料は、それが適用される光閉じ込め層３０，３２のバンドギャップエネルギー及び屈折率が所望の値となるよう、組成を適宜調整する必要がある。
【００６２】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図５に示される半導体光素子１０ｃでは、第３実施形態に係る半導体光素子１０ｂにおける回折格子層ＧＬが、回折格子層ＧＬ１に置き換えられている。回折格子層ＧＬ１は回折格子層ＧＬの凸部ＧＬＢと同様の形状を有する。回折格子層ＧＬ１の材料としては、回折格子層ＧＬと同様のものが挙げられる。半導体光素子１０ｃでは、第１実施形態に係る半導体光素子１０と同様の作用効果が得られる。
【００６３】
さらに、半導体光素子１０ｃは、活性層１６と回折格子層ＧＬ１との間に設けられIII−Ｖ族化合物半導体からなる中間層ＢＬ（第２の中間層）を備える。中間層ＢＬは、第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。中間層ＢＬの材料としては、例えばＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。中間層ＢＬは、単層であってもよいし、多層であってもよい。また、中間層ＢＬは超格子構造を有してもよい。
【００６４】
中間層ＢＬの屈折率は、回折格子層ＧＬ１の屈折率よりも小さいことが好ましい。この場合、クラッド層１８に加えて中間層ＢＬも光を回折格子層ＧＬ１内に閉じ込めるように作用するので、クラッド層１８のみが回折格子層よりも低屈折率である半導体光素子１０に比べて、より効果的に光を回折格子層ＧＬ１内に閉じ込めることができる。従って更にＤＦＢレーザの発振特性を改善できる。
【００６５】
また、所定のエッチャントを用いた場合に、中間層ＢＬのエッチングレートは、回折格子層ＧＬ１のエッチングレートよりも小さいことが好ましい。この場合、このエッチャントを用いたエッチングにより回折格子層ＧＬ１の凹凸表面を形成する際に、中間層ＢＬをエッチングストップ層として用いることができる。これにより、回折格子層ＧＬ１の凹凸の深さ（高さ）、すなわち回折格子層ＧＬ１の厚さｄの面内均一性及び再現性を向上させることができる。例えば、回折格子層ＧＬ１がＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなり、中間層ＢＬがＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなる場合、リン酸系のエッチャントを用いれば、回折格子層ＧＬ１よりも中間層ＢＬのエッチングレートの方が格段に小さいため、中間層ＢＬをエッチングストップ層として使用できる。また、例えば、回折格子層ＧＬ１がＧａＩｎＡｓＰからなり、且つリン酸系のエッチャントを用いる場合は、中間層ＢＬにＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰを用いれば、中間層ＢＬをエッチングストップ層として使用できる。
【００６６】
図６は、半導体光素子１０ｃの回折格子層ＧＬ１の厚さｄと結合係数κとの関係を示すグラフである。また、図６に示されるグラフには、結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬと、回折格子層ＧＬ１の厚さｄとの関係も示されている。図６に示される直線Ｌ１は、結合係数κの計算結果の一例を示す。また、直線Ｌ２は積κＬの計算結果の一例を示す。なお、計算には以下の構造パラメータを用いた。
【００６７】
クラッド層１４：ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰ層
光閉じ込め層３０，３２：厚さ１４０ｎｍのアンドープＧａＡｓ層
活性層１６：２重量子井戸構造（厚さ７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ井戸層、厚さ８ｎｍのＧａＡｓ層）
中間層ＢＬ：厚さ２０ｎｍのｐ−ＧａＩｎＰ層
回折格子層ＧＬ１：ｐ−ＧａＡｓ層
クラッド層１８：ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰ層
共振器長Ｌ：３００μｍ
回折格子層ＧＬ１のＤｕｔｙ比（Ｗ／Λ）：０．５
【００６８】
図６に示されるように、回折格子層ＧＬ１の厚さｄが４０ｎｍ以下と薄い場合でも、結合係数κは数十ｃｍ−１と大きい値を示す。さらに、回折格子層ＧＬ１の厚さｄが２０〜４０ｎｍの場合、積κＬは１〜２と十分に大きな値となる。このように回折格子層ＧＬ１が薄膜でも充分な結合係数が得られるのは、本構造ではＧａＡｓ回折格子層ＧＬ１とｐ−ＧａＩｎＰクラッド層１８間の屈折率差（式（１）におけるｎ２２−ｎ１２）が大であること、及びＧａＡｓ回折格子層ＧＬ１の両側が低屈折率層であるＧａＩｎＰ層で挟まれることにより、回折格子層ＧＬ１の光閉じ込め係数（式（１）におけるΓｇ）を増大できることによる。
【００６９】
（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す斜視図である。図８は、図７に示されるVIII−VIII線に沿った断面図である。図７及び図８に示される半導体光素子１０ｄは、第４実施形態に係る半導体光素子１０ｃの構成において、クラッド層１８がリッジ部１９を有し、リッジ部１９を埋め込むようにクラッド層１８とコンタクト層２０との間に設けられた第１導電型（ｎ型）の電流ブロック領域３８を更に備える。リッジ部１９及び電流ブロック領域３８によって、電流狭窄構造が形成される。また、活性層１６は、量子井戸構造を有しており、交互に積層された井戸層３４とバリア層３６とを有する。
【００７０】
電流ブロック領域３８は、ＧａＡｓに格子整合する半導体材料からなることが好ましい。また、光をリッジ部１９に閉じ込めるために、電流ブロック領域３８の屈折率は、クラッド層１８の屈折率ｎ１よりも小さいことが好ましい。例えばクラッド層１８をＧａＩｎＰで構成する場合は、電流ブロック領域３８を構成する半導体材料としては、それより低屈折率である、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、等の材料を用いるのが好ましい。電流ブロック領域３８のｎ型ドーパントとしては、例えばＳｅ、Ｓｉ等を用いることが好ましい。
【００７１】
図９は、第５実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。図１０は、第５実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す図である。以下、半導体光素子１０ｄの製造方法について説明する。
【００７２】
まず、図９(Ａ)に示されるように、ＧａＡｓ基板１２上に、クラッド層１４、光閉じ込め層３０、井戸層３４、バリア層３６、井戸層３４、光閉じ込め層３２、中間層ＢＬ及びIII−Ｖ族化合物半導体層ＧＬａをこの順に形成する。これらの層は、例えば、ＭＢＥ法、ＯＭＶＰＥ法、ＬＰＥ法等の結晶成長法を用いて形成される。例えばＯＭＶＰＥ法を用いる場合、III族の原料としては、例えば、ＴＥＧ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ等の有機金属を好適に用いることができる。Ｖ族の原料としては、例えば、ＡｓＨ３、ＰＨ３等の水素化ガスを好適に用いることができる。Ｎの原料としては、例えば、ＤＭＨｙを好適に用いることができる。ｎ型のドーパントとしては、例えばＳｅ、Ｓｉ等を使用することができる。ｐ型のドーパントとしては、例えばＺｎ等を使用することができる。
【００７３】
さらに、III−Ｖ族化合物半導体層ＧＬａ上に、所定のピッチΛで周期的に配列されたレジストマスクＭを形成する。レジストマスクＭは、ストライプ状に配置されることが好ましい。レジストマスクＭの幅Ｗは、回折格子の結合係数がＤＦＢレーザの発振に最適な値となるように適宜調整されることが好ましい。レジストマスクＭの形成に際しては、例えば干渉露光法やＥＢ露光法が用いられる。
【００７４】
次に、図９(Ｂ)に示されるように、レジストマスクＭを用いてIII−Ｖ族化合物半導体層ＧＬａをウェットエッチング又はドライエッチングする。これにより、回折格子層ＧＬ１が得られる。このとき、中間層ＢＬはエッチングストップ層として機能することが好ましい。これにより、エッチングレートが製造毎に又は面内でばらついたとしても中間層ＢＬに到達した時点で実質的にエッチングは停止する。その結果、回折格子層ＧＬ１の厚さｄの再現性及び面内均一性が向上するので、半導体光素子１０ｄの発光特性の再現性及び面内均一性も向上する。
【００７５】
レジストマスクＭを剥離除去した後、図９(Ｃ)に示されるように、回折格子層ＧＬ１上にクラッド層１８ａを形成する。クラッド層１８ａは、回折格子層ＧＬ１によって形成される凹部内に埋め込まれるように結晶成長される。
【００７６】
次に、図１０(Ａ)に示されるように、クラッド層１８ａ上にリッジ部１９の頂面の形状に対応するようにパターニングされた誘電体マスク４０を形成する。誘電体マスク４０は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等からなる。
【００７７】
次に、図１０(Ｂ)に示されるように、誘電体マスク４０を用いてクラッド層１８ａをドライエッチング又はウェットエッチングすることによって、リッジ部１９を有するクラッド層１８を形成する。
【００７８】
次に、図１０(Ｃ)に示されるように、リッジ部１９を埋め込むように、クラッド層１８上に電流ブロック領域３８を結晶成長させる。
【００７９】
誘電体マスク４０を剥離除去した後、図７及び図８に示されるように、リッジ部１９及び電流ブロック領域３８上に、コンタクト層２０を結晶成長させる。その後、例えば蒸着法やスパッタ法を用いて、コンタクト層２０上に電極２２を形成し、ＧａＡｓ基板１２の裏面上に電極２４を形成する。これにより、半導体光素子１０ｄが製造される。
【００８０】
なお、電流ブロック領域３８の材料として、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド、半絶縁性の半導体等を用いてもよい。また、電流ブロック領域３８に代えて、リッジ部１９の側面を例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等の絶縁膜で覆ってもよい。さらに、クラッド層１８ａをエッチングする際に、活性層１６までエッチングすることによってメサ部を形成し、そのメサ部を、ヘテロ接合を有する半導体領域により埋め込んでもよい。
【００８１】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。
【００８２】
例えば、半導体光素子１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは半導体レーザに限定されず、半導体光増幅素子、電界吸収型の光変調素子及びこれらと半導体レーザとを集積した半導体光集積素子等でもよい。いずれの場合であっても、本発明の構造によれば、活性層から出射される光を回折格子層中に良好に閉じ込めることができるので、発光効率が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。
【図２】第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。
【図３】III−Ｖ族化合物半導体層の構造の一例を示す断面図である。
【図４】第３実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。
【図５】第４実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。
【図６】第４実施形態に係る半導体光素子の回折格子層の厚さｄと結合係数κとの関係を示すグラフである。
【図７】第５実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す斜視図である。
【図８】図７に示されるVIII−VIII線に沿った断面図である。
【図９】第５実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。
【図１０】第５実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…半導体光素子、１６…活性層、１８…クラッド層、２６…第１の半導体層、２８…第２の半導体層、ＢＬ…中間層（第２の中間層）、ＦＬ…III−Ｖ族化合物半導体層（第１の中間層）、ＧＬ，ＧＬ１…回折格子層。
【図１】
2007299791.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007299791.tif 000009
【図８】
2007299791.tif 000010
【図９】
2007299791.tif 000011
【図１０】
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